ارزیابی اثر زیستی نسبی متغیر و تولید دز زیستی یکنواخت در ناحیه تومور در تابش یون هلیوم به رده سلولی V79

نویسنده

دانشگاه آزاد اسلامی شیراز

10.22052/7.1.45

چکیده

در پرتودرمانی، یون‌های سنگین‌تر از پروتون، دارای فواید بیش­تری از نظر خواص زیستی نسبت به پروتون هستند. اخیراً یون هلیوم، به دلیل انتقال خطی انرژی (LET) بیش­تر و اثر زیستی نسبی (RBE) بزرگ‌تر، مورد توجه واقع شده است. برای طراحی قله براگ گسترش یافته (SOBP < /span>) از دز زیستی برای تابش با هر نوع یون، نیاز به مقادیر دقیق RBE است که این کمیت، وابسته به دز، LET و پارامتر ویژه بافت است و نسبت به عمق در بافت، دارای تغییرات مکانی است. در اینجا، مقدار دقیق RBE در تابش یون هلیوم به رده سلولی V79، با بکارگیری یک عبارت پارامتری برای تغییرات RBE نسبت به LET، و نیز استفاده از کد شبیه‌سازی مونت‌کارلوی Geant4 برای محاسبه LET و استخراج توزیع مکانی دز، محاسبه شده است. نمودارهای قله براگ مختلف و مقادیر LET، برای هر برش در ناحیه تومور محاسبه شده‌اند. برای تولید یک SOBP < /span> زیستی مناسب، یک مجموعه از ضرایب وزنی با استفاده از محاسبات ماتریسی استخراج شده است که توسط این ضریب، شدت پرتوهای یون هلیومی برای ایجاد یکنواختی مطلوب در SOBP < /span> برای دز زیستی، تنظیم شدت پرتوها انجام گرفته است.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of variable relative biological effectiveness and the creation of homogenous biological dose in the tumor region in helium ion radiation to the V79 cell line

نویسنده [English]

  • Ladan Rezaee
چکیده [English]

In radiation therapy, ions heavier than proton have more biological advantages than a proton beam. Recently, ion helium has been considered due to high linear energy transfer (LET) to the medium and a higher relative biological effect (RBE). To design the spread-out Bragg peak (SOBP) of biological dose for radiation with any type of ion, we need exact values of RBE, which is dependent to dose, LET, and tissue specific parameter, and has spatial variations relative to depth in the tissue. Here, we calculate the exact value of RBE in helium ion irradiating V79 cell line by applying a parametric expression for RBE variations relative to LET, as well as using the Monte Carlo simulation code Geant4 to calculate the LET and the dose profile. The profiles of the Bragg Peak and LETs are calculated for each slice in the tumor region. To generate an appropriate biological SOBP, we compute a set of weighting factors using matrix computations, and by modulating helium ion beams, creation of optimal homogeneity at SOBP for biological doses was done.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hadron therapy
  • Geant4 code
  • Relative biological effectiveness
  • Biological dose
  • Helium
[1] J.S. Loeffler and M. Durante. Charged particle therapy: optimization, challenges and future directions. Nature Reviews Clinical Oncology 10 (2013) 411–424. [2] L. Grzanka. Modelling beam transport and biological effectiveness develop treatment planning for ion beam radiotherapy. PhD thesis (2013). [3] J.R. Castro and J.M. Quivey. Clinical experience and expectations with helium and heavy ion irradiation. International Journal of Radiation Oncology Biology Physics 3 (1977) 127–131. [4] A. Brahme. Recent advances in light ion radiation therapy. International Journal of Radiation Oncology Biology Physics 58 (2004) 603–616. [5] H. Paganetti. Relative biological effectiveness (RBE) values for proton beam therapy. Variations as a function of biological endpoint, dose, and linear energy transfer. Physics in Medicine and Biology 59 (2014) 419–472. [6] T. Elsässer, W.K. Weyrather, T. Friedrich, M. Durante, G. Iancu, M. Krämer, G. Kragl, S. Brons, M. Winter, K. J. Weber and M. Scholz. Quantification of the relative biological effectiveness for ion beam radiotherapy: direct experimental comparison of proton and carbon ion beams and a novel approach for treatment planning. International Journal of Radiation Oncology 78 (2010) 1177–1183. [7] M. Krämer. Helium ions for radiotherapy? Physical and biological verifications of a novel treatment modality. Medical Physics 43 (2016) 1995–2004. [8] Y. Kase, T. Kanai, Y. Matsumoto, Y. Furusawa, H. Okamoto, T. Asaba, M. Sakama and H. Shinoda. Microdosimetric measurements and estimation of human cell survival for heavy-ion beams Radiation Research 166 (2006) 629–638. [9] A. Mairani, G. Magro, I. Dokic, S. M. Valle, T. Tessonnier, R. Galm, M. Ciocca, K. Parodi, A. Ferrari, O. Jäkel, T. Haberer, P. Pedroni and T.T. Böhlen. Data-driven RBE parameterization for helium ion beams. Physics in Medicine and Biology 61 (2016) 888–905. [10] M.R. Kelley. DNA repair in cancer therapy: molecular targets and clinical applications. Amsterdam: Academic Press (2012). [11] S. Agostinelli, J. Allison and K. Amako. Geant4: a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 506 (2003) 250–303. [12] G. Cirrone, G. Cuttone and E. Mazzaglia. Hadrontherapy: a Geant4-based tool for proton/ion-therapy studies. Progress in Nuclear Science and Technology 2 (2011) 207–212. [13] Geant4 Collaboration, Geant4 Physics Reference Manual, Geant4 10.1 ed, (2014). [14] ICRU, Prescribing, recording and reporting proton-beam therapy, ICRU Report N.78, (2007). [15] A. Mairani, I. Dokic, G. Magro, T. Tessonnier, J. Bauer, T.T. Bohlen, M. Ciocca, A. Ferrari, P.R. Sala, O. Jäkel, J. Debus, T. Haberer, A. Abdollahi and K. Parodi. A phenomenological relative biological effectiveness approach for proton therapy based on an improved description of the mixed radiation field. Physics in Medicine and Biology 62 (2017) 1378–1395. [16] S. Dewey, L. Burigo, I. Pshenichnov, I. Mishustin and M. Bleicher. Lateral variation of radiobiological properties of therapeutic fields of 1H, 4He, 12C and 16O ions studied with Geant4 and microdosimetric kinetic model. Physics in Medicine and Biology 62 (2017) 5884–5907. [17] L. Rezaee. Design of spread-out bragg peaks in hadron therapy with oxygen ions. Reports of Practical Oncology and Radiotherapy 23 (2018) 433–441. [18] A. Mairani, I. Dokic, G. Magro, T. Tessonnier, F. Kamp, D. J. Carlson, M. Ciocca, F. Cerutti, P.R. Sala, A. Ferrari, T.T. Bohlen, O. Jäkel, K. Parodi, J. Debus, A. Abdollahi and T. Haberer. Biologically optimized helium ion plans: calculation approach and its in vitro validation. Physics in Medicine and Biology 61 (2016) 4283–4299.